多轴汽车的转向机构优化设计研究

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摘 要：随着我国经济的发展，对货车的需求越来越大。多轴汽车作为承重能力良好的货车，是改善我国货物运输的强力工具。本次研究依据阿克曼转角的几何原理与前轮定位参数的变化规律使用多目标优化的方法，进行复核加权函数的优化设计，结合多轴汽车车轮转向的特性，构建数学模型对优化方法进行分析。希望本次研究有利于完善多轴汽车转向机构的优化设计，缩减研发周期，促进我国多轴汽车的设计与生产。

关键词：多轴汽车；转向机构；优化设计；研究

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.05.217

0 前言

多轴汽车，是指具有较多轴数的载货汽车，与六轴、五轴的牵引半挂车的区别在于，多轴车是货箱与车头固定在一个底盘上的普通货车。从市场上的情况来看，多轴车尽管具有强大的载重能力，销量却非常低，许多车主习惯了驾驶2轴车与3轴车，对4轴车与5轴车等多轴车的质量存有疑虑。强化多轴汽车的性能，对提高车主对多轴车认可度，改变其小车中的状态，具有重要意义。汽车的转向性能是保障汽车安全行驶的基本功能，而多轴汽车由于具有车身过长的特点，对转向机构具有更高的要求。因此，对多轴汽车的转向机构进行优化设计，是提升多轴汽车性能的关键。

1 多轴转向机构设计原理

转向机构的设计原理包括阿克曼转向集合原理与系统性悬架干涉最小化原理。阿克曼几何差，是指外转向轮实际转角与理想状态下的转角的差值。汽车以低速率进行转向时，忽略其轮胎偏角的影响，为保持汽车转向中保持纯滚动，内外的转向角度应当满足阿克曼的集合关系。其中需要的数据有外向转交轮的转角度，内轮转角度，内外轮中心延长线与地面交点距离及轴距。汽车转向时满足阿克曼集合集合关系的程度代表转角误差，用该数据可以对误差进行验证。阿克曼转角的误差值越小，证明汽车的转向系统越好，对转角误差要求一般小于3度。同时该原理可以计算出汽车最小转弯的半径，该数值还可以推出汽车机动性能。

系统性悬架干涉最小化原理，是利用前轮定位参数，保证转向稳定，防治轮胎受损而设置的。包括前两轮前束角，外倾角，后倾角等。转向子系统与悬架子系统，二者是相互独立的。但是都可以作为整体进行分析，对运动存在干涉。转向机构的设计就是要最大限度减少干涉，保证两系统的吻合，控制前轮定位参数在某种范围变化，可以有效提升转型系统的稳定性能[1]。

2 多轴转向优化设计的模型构建

2.1 平面转向梯形结构模型

汽车在转弯时，要求汽车前方的两车抽线相交与后轮的轴线延长线上，这是为了减少轮胎测滑现象，防治轮胎磨损，减小转向的摩擦力。构建平面梯形结构的数学模型，可以利用函数关系，更清晰的研究出同轴外轮转角与内轮角变化。建立梯形机构数学模型，可以简化成平面连杆机构，利用每轴以前轴为例的方法。

计算左轮与由轮的的变化值。

2.2 纵向传动机构模型

纵向传动机构中的可根据各轴的实际变化，进行分别独立计算，每个相邻的轴作为整体，构建四轴连杆机构。根据一轴二轴的转向汽车纵向传动连杆机构，建立二轴、三轴等简化模型，满足关系后依照此类方式进行。需要注意的是，各轴转向节点击初始叫的赋值为确定值。转向连杆机构的过度部分形成四边形结构，确定好第一轴与第二轴之间的角传动比。保证同侧的车轮，围绕同一个中心作滚动。另外，角速度是关键系数，进行传动臂的长度对比是，首先需要优化角传动比[2]。

3 多轴转向梯形的优化设计

3.1 转向梯形机构优化

转向梯形机构优化设计包括几个步骤。第一，对参数进行优化。本次设计中，是要求将转向梯形方面的梯形角与转向杆长度作为优化目标。第二，对于目标函数的确立中，需要注意，计算出理论数值与实际的差值后，用其平方积分实现目标函数的理论值，若所得值与目标值相同或者接近，就是达到优化的目的。另外，在优化设计中，具有一定的约束条件。当转向梯形臂的长度值过小时，会导致转向拉杆的平均受力加大，阻碍了正常的运动，球头受到一定程度的磨损，这会引起转向拉杆与车轴之间发生运动干涉，对汽车的有效稳定操纵造成影响。梯形越接近矩形，与优化的目的函数要求的极小值结果越背离。另外，根据机械原理，梯形四联拉杆机构传动角度不能过小，否则会影响实际计算的结果[3]。

3.2 纵向传动机构优化

纵向传动机构优化中同样分为优化参数、目标函数、约束条件等过程。优化参数选择一轴、二轴的传动比作为优化变量。在使用理论值与实际差值的积分，越接近目标函数理论值，越能达到优化效果。其中左转向与右转向的内侧车轮最大转角，既可以取正值，也可以取得负值。根据以上建立的数学模型，对比其角度的传动比，观察是否满足目标函数关系。在约束条件方面，一般根据统计经验，定值参数选择单位值最佳，根据一、二轴的转角值，可以适当增大[4]。

4 结论

根据相关文献可知，建立简单的数学模型，是实现优化方案的前提。在生产、设计多轴汽车时，如果忽视了转向机构和悬架干涉，就会导致实际的设计、生产中前轮定位参数的浮动很大，影响实际操纵的稳定性。本文针对多轴汽车的转向机构的优化设计研究，是以多轴转向机构设计原理入手，结合阿克曼转向集合原理与系统性悬架干涉最小化原理应用，建立平面转向梯形结构数学模型与纵向传动机构模型。最后对两种模型的进行多轴转向梯形的优化设计。并提出具体的优化参数与约束条件等。本次的优化结果可以证明构建数学模型的重要性，并且，优化方法也是从相关原理得出，具有合理可行的性质，达到了多轴汽车的转向机构的优化目的。为我国多轴转向车辆的生产及设计提供一定的借鉴。

参考文献：

[1]鲍时超，莫思剑.汽车起重机双前桥转向系统的匹配计算及验证[J].建设机械技术与管理，2016（02）：79-83.

[2]范珍珍.基于油缸铰接点位置铰接车转向机构优化设计[J].机械设计与制造，2016（10）：110-113+117.

作者介：陈前有（1988-），男，广西玉林人，本科，助理工程师，研究方向：转向系统设计。